Jak zaprojektować układ scalony pętli fazowej w twojej płytce PCB RF

W systemach telekomunikacyjnych, radiowych oraz innych urządzeniach RF wymagających syntezy częstotliwości, pętle fazowe odgrywają ważną rolę w projektowaniu PCB. Wysokoczęstotliwościowe transceivery i szybkie urządzenia cyfrowe zawierają zintegrowane pętle fazowe wraz z zintegrowanym układem VCO, co zapewnia stabilne i wewnętrznie kontrolowane sygnały zegarowe. Jednak niektóre układy scalone PLL są dostępne jako dyskretne układy scalone, które będą zawierać zintegrowany układ VCO wewnątrz obudowy. Ogólnie rzecz biorąc, PLL umożliwia wykonanie kilku ważnych zadań w projektowaniu PCB RF, takich jak demodulacja, eliminacja szumów fazowych oraz zapewnienie czystej formy fali w syntezie częstotliwości.

Pętla fazowa w PCB może cierpieć na te same efekty pasożytnicze, które mogą dotknąć inne PCB RF, a projektanci powinni dokonać mądrych wyborów układu, jeśli pracują z dyskretną pętlą fazową.

Do czego jest używana pętla fazowa?

Pętla fazowa pełni szereg ważnych funkcji w systemach analogowych (RF) oraz w systemach wymagających precyzyjnej synchronizacji zegara i sygnału na płytce. Oto niektóre z podstawowych funkcji pętli fazowej i dlaczego są one ważne w PCB RF.

• Usuwanie szumu fazowego: Pętla fazowa może być również używana do usuwania szumu fazowego z sygnału referencyjnego poprzez synchronizację z referencją dostarczaną przez oscylator sterowany napięciem (VCO). W przeszłości używało się oddzielnych komponentów do tych zadań, ale dzisiejsze pętle fazowe integrują układ VCO w układzie scalonym.
• Synteza częstotliwości: Analogowa lub cyfrowa pętla fazowa może być również używana do syntezy częstotliwości na wyższych lub niższych częstotliwościach niż pewna referencja. W kontekście syntezy cyfrowej, pętla fazowa może być używana do zmniejszania lub zwiększania częstotliwości powtarzania strumienia impulsów cyfrowych. W obu przypadkach, częstotliwość oscylacji/powtarzania może osiągnąć dziesiątki GHz z dostępnymi komercyjnie i eksperymentalnymi pętlami fazowymi, co pozwala im wspierać wiele aplikacji RF.
• Demodulacja sygnałów FM: Jeśli pętla fazowa jest zasilana sygnałem FM, VCO śledzi jego chwilową częstotliwość. Napięcie błędu wyjściowego z etapu filtru pętli (patrz poniżej), które kontroluje VCO, jest równe demodulowanemu wyjściu FM.

Przy niskich prędkościach/niskich częstotliwościach, szum fazowy w danym sterowniku jest zazwyczaj na tyle niski, że nie musisz korzystać z pętli fazowej (PLL) do jego kompensacji, a główne źródła są związane z innymi problemami, które można naprawić na poziomie układu PCB.

Rola Każdego Komponentu w Pętli Fazowej

Pętle fazowe wykorzystują negatywne sprzężenie zwrotne z oscylatora sterowanego napięciem (VCO) w aplikacjach analogowych, lub numerycznie sterowanego oscylatora (NCO) w aplikacjach cyfrowych. W aplikacjach analogowych, częstotliwość wyjściowa z VCO lub NCO zależy od jego napięcia wejściowego lub cyfrowego wejścia, odpowiednio. W obu przypadkach, wyjście z PLL będzie proporcjonalne do różnicy faz między sygnałem wejściowym odniesienia. Gdy różnica faz (a tym samym wyjście) nie zmienia się z czasem, wtedy oba sygnały są zablokowane na tej samej częstotliwości.

W systemie RF wyjście z analogowego VCO zależy od napięcia wejściowego, co czyni go użytecznym do modulowania sygnału referencyjnego zegara. W pętli fazowej, VCO skutecznie blokuje się na określonym referencji za pomocą filtra pętli. W analogowych pętlach fazowych, filtr pętli potrzebuje pewnego czasu, aby zablokować się na pożądanym sygnale referencyjnym (osiągając ~100 ns).

Wyjście z filtra pętli ma również specjalne miejsce w pętli fazowej. Gdy VCO jest używane do blokowania na pożądanym sygnale nośnym, sygnał modulowany częstotliwościowo lub fazowo zazwyczaj moduluje z prędkością znacznie większą niż czas blokowania pętli fazowej. W takim przypadku, filtr pętli wygeneruje sygnał błędu proporcjonalny do chwilowej różnicy fazowej między referencją a sygnałem VCO. Gdy modulowany sygnał referencyjny jest wprowadzany do pętli fazowej jako nośnik, ten sygnał błędu jest właściwie sygnałem zdemodulowanym.

Schemat blokowy pętli fazowej

Układ PCB dla Twojej pętli fazowej

Układy scalone z pętlą fazową są dostępne na rynku i osiągają niskie wartości GHz. Nadajniki-odbiorcze i modemy dla systemów o wyższej częstotliwości zazwyczaj zawierają całą pętlę fazową, w tym układ VCO i wspierające układy, na jednym krzemie. Mogą one pracować na częstotliwościach pośrednich, aby zapewnić czysty sygnał wyjściowy, który jest następnie przekształcany na wyższą częstotliwość i modulowany, aby uzyskać pożądany sygnał RF. Korzystając z układu scalonego z pętlą fazową, będziesz miał sygnały RF wprowadzane do komponentu i wyprowadzane z niego oraz rozprowadzane po płytce, i będziesz musiał zwrócić uwagę na integralność sygnału w systemie. Niektóre z ważnych punktów układu to:

• Izolacja i siatka płytki: Aby zapobiec wzajemnemu zakłócaniu się RF wejściowego, RF wyjściowego oraz innych sekcji analogowych/cyfrowych, rozmieść różne bloki obwodów w określonych regionach płytki. Upewnij się również, że używasz pewnych struktur izolacyjnych (ogrodzenia z przelotkami, wylewki masy, oddzielne warstwy trasowania), aby zapobiec zakłóceniom między sekcjami RF a innymi sekcjami płytki.
• Integralność zasilania: Szum zasilania wymaga dokładnego odciążenia, dlatego użyj sąsiadujących płaszczyzn zasilania i masy jako podstawy dla sieci dystrybucji zasilania twojego pętli fazowej. Traktuj również obwód jako system cyfrowy wysokiej prędkości i umieść sieć odciążającą blisko pinów zasilania. Zapewni to stabilne napięcie stałe dla tych układów scalonych i zredukuje drgania w magistrali zasilania lub płaszczyźnie zasilania, gdy cyfrowe układy scalone w innych miejscach na płytce się przełączają. Wszelkie kondensatory odciążające/bypassujące powinny używać własnych przelotek do połączenia z powrotem z płaszczyzną masy.
• Ciepło: Umieść uziemioną termiczną podkładkę pod układem scalonym pętli fazowej, aby zapewnić odpływ ciepła z powrotem do płaszczyzny masy PCB.
• Straty: Jeśli zajmujesz się częstotliwościami GHz, rozważ użycie laminatu o niskich stratach powyżej częstotliwości WiFi. Materiały Rogersa lub Isoli są dobrym wyborem do przesyłania sygnałów RF z niskimi stratami. Staraj się trzymać ścieżki RF oddzielone od siebie siatką, ale również jak najkrótsze, aby zapobiec interferencjom i nadmiernym stratom.
• Dopasowanie impedancji: Jak w innych systemach RF, będziesz musiał starannie dopasować impedancję linii transmisyjnych i portów wejściowych/wyjściowych na twoim układzie scalonym pętli fazowej.

Kiedykolwiek bawiłeś się syntezatorem? Tak naprawdę grasz na VCO

Co z osobnym układem VCO?

To nie jest powszechne, ponieważ dzisiejsze układy pętli fazowej (phase-locked loop) zawierają zintegrowany układ VCO. Mimo to, istnieją miejsca, gdzie używa się osobnego układu VCO. Systemy RF o wyższej mocy, potrzebujące pętli fazowej, mogą wymagać oddzielenia wszystkich części na różne sekcje płytki (pętla fazowa, układ VCO, wzmacniacz i inne komponenty). Ponadto, systemy używające radia definiowanego programowo mogą używać specjalistycznego VCO do generowania sygnału referencyjnego lub bezpośredniej syntezy częstotliwości. Praca z VCO może być trudna, niezależnie od tego, czy zbudowałeś własną pętlę fazową dla systemu.

Szerokość pasma VCO wpłynie na jego wrażliwość na szumy zasilania i własny szum fazowy. VCO o szerszym paśmie mogą być bardziej wrażliwe na szumy zasilania, dlatego zaleca się stosowanie regulatorów mocy o ultraniskim szumie, aby zminimalizować szum fazowy na wyjściu VCO. Użycie VCO o wąskim paśmie będzie akomodować tylko węższy zakres częstotliwości, co należy wziąć pod uwagę podczas projektowania.

VCO może być również używany do bezpośredniej modulacji sygnału nośnego. Wyjście z VCO może być użyte do zastosowania modulacji do sygnału nośnego, który następnie może być wysłany do anteny nadawczej. Można to zrobić za pomocą sekcji T, która używa trzech rezystorów do dopasowania impedancji anteny do impedancji wyjściowej VCO. Elementy pasożytnicze stają się problematyczne przy wysokich częstotliwościach, ponieważ mogą zakłócać dopasowanie impedancji i izolację. Te trudności powinny ujawnić, dlaczego układ VCO jest zwykle integrowany z pętlą fazową.

Ze względu na wymagania dotyczące integralności mocy, integralności sygnału i projektowania mieszanych sygnałów w urządzeniach RF z układem scalonym pętli fazowej, projektanci potrzebują odpowiednich narzędzi do układania, trasowania i symulacji, aby wspomóc projektowanie. Altium Designer integruje te funkcje i wiele innych w jeden program, pozwalając Ci projektować urządzenia najwyższej jakości dla dowolnej aplikacji.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o jego pakiecie narzędzi do projektowania. Będziesz miał również dostęp do najlepszych w branży funkcji projektowania, symulacji i weryfikacji w jednym programie. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.